3 月 29 日消息，IBM 公司與學(xué)術(shù)研究人員的一項(xiàng)合作研究表明，量子計(jì)算機(jī)能夠復(fù)現(xiàn)真實(shí)磁性材料經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各項(xiàng)特性。這也初步證明：在實(shí)現(xiàn)完全糾錯(cuò)技術(shù)之前，如今的量子設(shè)備就有望應(yīng)用于解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本平臺(tái) arXiv 上發(fā)布的一篇新論文中介紹，來(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、普渡大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校以及田納西大學(xué)的科研人員，利用量子處理器計(jì)算了一種被廣泛研究的磁性化合物 —— 氟銅酸鉀（KCuF₃）的能動(dòng)量譜（Energy-momentum spectrum）。IBM 官方博客發(fā)文稱，計(jì)算結(jié)果與中子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合，而中子散射正是探測(cè)材料內(nèi)部特性的主流技術(shù)手段。

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理學(xué)家、該研究合著者艾倫 · 謝伊在博客中表示：“這是我見(jiàn)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與量子比特模擬結(jié)果匹配度最高的研究成果，無(wú)疑重新定義了當(dāng)下量子計(jì)算機(jī)的能力上限。我對(duì)這項(xiàng)研究為科學(xué)界帶來(lái)的前景感到無(wú)比振奮。”

物理學(xué)與化學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在一大難題：如何將原子、電子的微觀量子行為，與決定材料性能的宏觀特性建立關(guān)聯(lián)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)雖然性能強(qiáng)大，卻往往難以模擬這類體系 —— 因?yàn)橄嗷プ饔昧Ｗ拥臄?shù)量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，很快就會(huì)耗盡現(xiàn)有計(jì)算資源。

與之不同，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行規(guī)律和材料的物理底層法則完全一致。正因如此，科學(xué)家將量子計(jì)算機(jī)視為模擬量子體系的天然平臺(tái)。這一構(gòu)想最早由物理學(xué)家理查德 · 費(fèi)曼在數(shù)十年前提出。

模擬與實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)契合

為在現(xiàn)有硬件上驗(yàn)證這一理論，研究團(tuán)隊(duì)選定氟銅酸鉀作為研究對(duì)象，該材料的磁性早已通過(guò)中子散射技術(shù)完成大量研究。在中子散射實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家向材料樣本發(fā)射中子并檢測(cè)其散射規(guī)律，以此探明材料內(nèi)部的自旋動(dòng)力學(xué)特征，也就是微觀磁矩的相互作用與演化方式。

本次量子模擬依托 IBM 蒼鷺（Heron）量子處理器完成，實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則分別取自美國(guó)散裂中子源和田納西實(shí)驗(yàn)室，以及英國(guó)盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的中子裝置。

研究人員表示，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)成功還原出該材料的能動(dòng)量譜（即材料內(nèi)部能量隨粒子運(yùn)動(dòng)變化的分布圖），模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度貼合。

這種高度契合意義重大：該材料的底層物理機(jī)制涉及大量相互糾纏的自旋粒子，產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應(yīng)難以通過(guò)經(jīng)典算法精準(zhǔn)演算。即便是研究透徹的常見(jiàn)材料，科研人員也常常只能依靠近似計(jì)算，導(dǎo)致研究存在認(rèn)知盲區(qū)。

該項(xiàng)目首席研究員、普渡大學(xué)副教授阿爾納布 · 班納吉指出，中子散射檢測(cè)對(duì)材料本身干擾極小，能真實(shí)還原材料的本征狀態(tài)，是極具可靠性的研究手段。

他在博客中說(shuō)道：“借助中子散射結(jié)果，我們能夠構(gòu)建可靠的理論模型，深入解析材料的核心特性。”

但長(zhǎng)期以來(lái)，如何將散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可預(yù)測(cè)的理論模型，始終是科研攻關(guān)的瓶頸。

班納吉補(bǔ)充道：“磁性材料積累了海量中子散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，卻受限于經(jīng)典近似算法的短板，至今未能被充分解讀。”

混合計(jì)算研究方案

這項(xiàng)研究的另一重要亮點(diǎn)，揭示了量子計(jì)算當(dāng)下的實(shí)際應(yīng)用模式：量子設(shè)備并非要取代經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)，而是與傳統(tǒng)高性能計(jì)算資源融合協(xié)作。

研究團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)優(yōu)化量子電路結(jié)構(gòu)，例如精簡(jiǎn)電路深度、減少運(yùn)算步驟，從而適配當(dāng)前量子硬件的性能上限；同時(shí)還搭載了抗噪聲算法，解決現(xiàn)有量子處理器誤差易累積、噪聲難消除的核心痛點(diǎn)。

據(jù)IT之家了解，這套混合計(jì)算架構(gòu)，正是 IBM“量子中心超算”戰(zhàn)略的核心思路：將量子處理器與經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)整合為一體化工作流程，讓兩類設(shè)備各司其職 —— 經(jīng)典計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與算法優(yōu)化，量子計(jì)算機(jī)專攻經(jīng)典算力無(wú)法破解的復(fù)雜運(yùn)算。

在本次研究中，中子與材料自旋粒子的相互作用可以高效映射到量子電路中，讓該課題成為近期量子模擬的優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場(chǎng)景。

研究團(tuán)隊(duì)還提到，量子計(jì)算機(jī)天生適配自旋體系模擬；通過(guò)將材料底層物理機(jī)制編譯為量子運(yùn)算，這套技術(shù)還能拓展應(yīng)用到更多種類的材料。這意味著一臺(tái)可編程量子處理器，理論上無(wú)需定制硬件，就能完成多種不同材料的建模研究。

業(yè)界一直存在核心疑問(wèn)：現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)完全糾錯(cuò)的“容錯(cuò)前時(shí)代”量子計(jì)算機(jī)，能否產(chǎn)出具備實(shí)用價(jià)值的科研成果？

此前，材料科學(xué)領(lǐng)域普遍認(rèn)為，只有未來(lái)更低誤差、更多量子比特的新一代量子設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。而本項(xiàng)研究證實(shí)：只要精準(zhǔn)篩選研究課題，并搭配經(jīng)典計(jì)算輔助，現(xiàn)有量子設(shè)備就能提前產(chǎn)出有意義的科研成果。

該團(tuán)隊(duì)成功復(fù)現(xiàn)真實(shí)材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅為當(dāng)代量子硬件劃定了能力基準(zhǔn)，還建立了一套用量子模擬對(duì)標(biāo)物理實(shí)測(cè)的驗(yàn)證體系，為行業(yè)建立技術(shù)信心筑牢關(guān)鍵基礎(chǔ)。

研究人員同時(shí)強(qiáng)調(diào)，該成果并不意味著高端量子硬件的研發(fā)不再必要。本次模擬經(jīng)過(guò)了嚴(yán)苛的人工優(yōu)化約束，若要將技術(shù)拓展至結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的材料，仍需進(jìn)一步提升量子比特質(zhì)量與設(shè)備整體規(guī)模。

助力新型材料研發(fā)

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步將該研究方法拓展至高維度、相互作用更復(fù)雜的材料體系。這類材料建模難度更高，也能更直觀地檢驗(yàn)量子計(jì)算相較于經(jīng)典計(jì)算的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

班納吉表示，研究的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是搭建實(shí)驗(yàn)與模擬的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)體系：隨著量子模擬技術(shù)不斷精進(jìn)，不僅能更精準(zhǔn)解讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還能反向指導(dǎo)定制化功能新型材料的研發(fā)設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)技術(shù)將賦能多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：儲(chǔ)能、電子制造、制藥行業(yè)都高度依賴對(duì)量子相互作用的解析，以此研發(fā)全新化合物與新材料。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)中心主任特拉維斯 · 亨布爾評(píng)價(jià)道：“針對(duì)真實(shí)材料模型開(kāi)展量子模擬，并與實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果相互印證，充分彰顯了量子計(jì)算對(duì)科研全流程的革新價(jià)值。”

若想深入了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)，可查閱 arXiv 平臺(tái)的相關(guān)論文。需要說(shuō)明的是：arXiv 屬于預(yù)印本平臺(tái)，僅用于幫助研究人員快速交流研究成果、獲取同行反饋；該論文以及本文內(nèi)容，均未經(jīng)過(guò)正式同行評(píng)審。同行評(píng)審是科研流程中驗(yàn)證研究結(jié)論真實(shí)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。